在机械产品的设计与制造过程中,如何选择和使用原材料是一项十分重要的工作。在使用时,既要求材料的力学性能适应零件的工作条件,使零件经久耐用,又要求材料有较好的加工工艺性和经济性,使零件容易制造,成本和消耗低。
材料的力学性能是指材料在外力作用下表现出来的特性,如强度、弹性、塑性、硬度、韧性和抗疲劳性等。现简要介绍如下:
材料的强度极限是金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。常用的强度极限有:
(1)屈服强度 屈服强度是指金属材料在外力的作用下发生塑性变形的应力。
(2)抗拉强度 抗拉强度是指金属材料在外力作用下发生拉断时的应力。
(3)抗剪强度 抗剪强度是指金属材料在受剪切状态力的作用下不致被破坏的最大应力。
材料的屈服强度又分为上屈服强度和下屈服强度。其中,下屈服强度是金属材料发生塑性变形的标志。在冲压生产中,要使材料产生形状改变,所需加的压力必须超过材料的下屈服强度 R eL ,如在拉深过程中, R eL 越小,成形工艺的稳定性越高,越不容易出现废品。在弯曲时,小的 R eL 值,在卸载时材料回弹变形过小,有利于提高弯曲件的精度;而抗拉强度 R m 则是材料抵抗被破坏时的最大能力;在冲压加工过程中,若材料要产生分离,所施加的外力必须使材料的应力大于抗拉强度 R m ;若材料只产生形状变化(拉深与弯曲等成形工序)而不使其断裂,则施加的压力必须使材料的应力小于抗拉强度 R m ,否则会产生断裂,形成废品。一般说来,材料的抗拉强度 R m 与下屈服强度 R eL 决定了材料的基本特性。 R eL 与 R m 越高则冲压时的变形抗力也越高,材料的内应力就越大,在冲压后因弹性变形所导致的冲件形状及尺寸的弹性回复也就越大。因此,冲压材料的强度极限对冷冲压生产能否冲出合格件有着极其重要的影响。
材料的塑性是指材料在外力作用下发生永久变形后,在外力消失的情况下仍然能保持变形后形状和尺寸精度而不致引起破坏的性能。常用的塑性指标有:
1.断后伸长率 A
断后伸长率是指材料受拉力被拉断后,原始标距的伸长与原始标距之比的百分率。即
式中 A ——材料的断后伸长率;
L u ——拉断后的标距长度(mm);
L o ——拉伸前的标距长度(mm)。
2.断面收缩率 Z
断面收缩率是指材料在受拉力作用而断裂时,试样横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积之比的百分率。即
式中 Z ——材料的断面收缩率;
S o ——原始横截面面积(mm 2 );
S u ——拉断后的横截面面积(mm 2 )。
3.冲压深度
冲压深度(又称杯突值)是指在杯突试验机上用标准球头凸模匀速下压材料试样后,在材料上面出现一个凹痕,直到能出现一条能透光的裂纹为止的凹痕深度。
材料的塑性是关系到冷冲压能否冲出合格零件的重要性能。对于冲压成形类工序如弯曲、拉深、成形等,材料的塑性要求一般较高。一般来说,在一定的强度下,塑性越好的材料,则允许材料的变形程度越大,其冲压工艺性也越好。它不但能减少拉深成形次数,而且还能减少中间热处理工序。而对于分离工序冲裁来说,则要求材料塑性不是很高。若冲裁材料塑性太高,则材料太软,冲裁后的尺寸精度及飞边高度,都很难达到规定的要求。但冲裁时的材料塑性也不能太差,这样材料太硬,使材料变脆,反而会使模具易损坏。因此,对于不同工序的冲压,应选用不同塑性的材料,才能使冲压工作发挥极好的效果。
材料的弹性是指材料在受外力作用下产生变形,而在外力去除之后,仍能恢复原来形状的一种特性。
材料的弹性是用保持弹性变形的最大应力(单位面积上的抵抗力),用σ e 来表示,俗称材料的弹性极限,即
式中 σ e ——材料的弹性极限(MPa);
F e ——弹性极限负荷(N);
S o ——试件的截面面积(mm 2 )。
材料的弹性对零件本身是一种很有价值的特性。但对于冲压成形工序来说是极为不利的。例如弯曲后的制品,如果材料弹性过大,则零件就会产生回弹现象,不仅影响制品质量,而且需增加整形工序或者采取中间热处理辅助工序,同时也给模具制造带来不必要的困难。而对于冲裁工序,采用弹性较好、塑性较小的材料,反而对冲压加工有利。这是因为弹性较好的材料,流动性好,可以得到较好的零件断面质量。
材料的硬度是指金属在外力作用下,能抵抗压入物压陷能力大小的一种性能。在工业生产中,金属材料的硬度可通过布氏硬度、洛氏硬度等试验方法得出。
金属硬度是直接决定金属冲压性能的因素之一。对于硬度较高的金属材料,对冲压成形工序是极为不利的,金属硬度越高,强度也越高,但塑性较差。故在一般情况下,弯曲、拉深、成形等工序,适宜选用硬度较低的材料。